0 引言

隨著射頻技術、微電子技術及集成電路的發展，無線通信技術應用深入各領域，數據采集領域中引入無線通信技術，可以解決某些如高腐蝕性、現場無法實現明線連接等環境的數據采集問題，克服有線網絡布線麻煩和維護困難，提高采集系統的適應性。藍牙(BLE)4.0作為一種新興的無線數據通信技術，主要具有以下特點：工作在2.4GHz的ISM頻段，極低的運行和待機功耗;使用1Mb/s速率以達到最大限制帶寬;AES—128加密等[1，2]。本文基于藍牙4.0實現實驗室無線信息采集。

1 系統硬件設計

1.1 系統構成和工作原理

系統由數據采集器、BLE終端節點、BLE協調器節點、上位機等部件構成，采用BLE4.0的無線數據傳輸技術，把采集到的數據收集到一個BLE協調器中，并由上位機實現對數據的顯示和處理，系統的整體結構如圖1所示。其中數據采集終端主要完成電流、溫度、濕度等參數的采集;BLE終端節點主要完成從數據采集終端接收數據，并通過無線通信方式發送接收的數據，或者接收BLE協調器節點發送的控制命令進行操控;BLE協調器節點是整個網絡的發起者，管理整個網絡的規模，存儲有BLE網絡中各個節點的信息。擔當BLE網絡中的協調器的角色，主要任務就是組建和維護一個網絡，收集BLE網絡中各個節點發出的信息，通過RS232接口把數據傳到上位機;上位機接收BLE協調器節點傳來的

信息，并處理和顯示數據。

1.2 協調器與終端器節點電路設計

終端節點電路主要有數據采集電路、數據處理單元電路、信號指示電路、無線傳輸模塊接口電路、按鍵電路、繼電器控制電路及供電電路等。原理圖如圖2所示，數據采集電路要采集的信息含實驗室負載電流、環境信息(溫度、濕度等)及煙霧濃度信息。系統由霍爾傳感器采集負載電流、溫度傳感器DS18B20采集環境溫度信息、濕度傳感器DHT11采集環境濕度信息、煙霧傳感器采集煙霧濃度信息;數據處理單元電路以STC12C25A60S2為核心進行數據處理，圖中R9、C4構成處理器復位電路，由X1、C4、C5決定系統時鐘電路，P1、P2為設計無線傳輸模塊與處理器的電路連接端口，實現處理器與無線收發模塊CC2540無線數據傳輸。其中P1.0、P1.4和P1.1口用于指示網絡狀態;Q1為繼電器控制電路，主要用來控制實驗室供電和門禁系統。當實驗室門禁授權后，處理器給三極管一個低電平信號，繼電器吸合，給實驗室供電。當實驗室內出現異常情況時(如電流過大、有煙霧等)，處理器給三極管一高電平，繼電器釋放，切斷實驗室供電。協調器節點電路去除數據采集模塊，增加RS232串口轉換電路，采用MAX223雙通道轉換芯，MAX223的R1OUT引腳接CC2540的P0.2引腳，T1IN引腳接CC2540的P0.3引腳，通過它實現PC綁定數據、用戶數據命令、節點信息及網絡信息數據等數據或命令的傳輸，從而形成節點應用軟件平臺與協調器節點上位機軟件平臺之間的接口。在系統中，5V為STC12C5A60S2提供電源，3.3V為CC2540無線數據傳輸電路提供電源，電源系統由三端線性穩壓器U1、U2構成。

1.3 無線傳輸模塊電路設計

由于CC2540將8051內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中，因而簡化了電路的設計，省去了對單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計。該電路設計原理圖如圖3所示。該原理圖主要包括3.3V電源濾波電路、芯片晶振電路、天線電路、入網指示電路及復位電路6部分。接口電路由CC2540的I/O引出，增加無線模塊的通用性;為得到更好的電源性能，電源濾波電路選擇了合適的去耦電容對電源進行濾波，該部分電路參考TI公司濾波電容組設計;CC2540工作需要兩個時鐘晶振，第一個為32MHz，為無線收發時鐘;第二個為32.068KHz，為休眠模式提供時鐘。C17和C18為32MHz晶振的負載點電容，電容值取決于負載電容的大小。C17和C18的典型值為12pF。電路中采用非平衡天線加上一個非平衡變壓器構成一個天線電路。由上拉電阻和按鍵組成，實現低電平復位。

2 系統軟件設計

軟件是功能得以實現的關鍵，軟件設計包含傳感器數據的采集、終端節點數據收發、協調器節點數據收發、及上位機數據實時顯示與數據管理等。

2.1 協調器與終端器軟件設計

協調器與終端器軟件的軟件設計按模塊化的設計思想來實現，采用語言編程，在IAR集成開發環境中完成，主要有信息采集、終端器無線發送、協調器無線收發等軟件設計，其流程如圖4、圖5及圖6所示。

2.2 上位機管理界面軟件設計

上位機主要實現以下功能：1)通過RS232串口通信完成與外設的通信;2)數據實時顯示;3)數據管理的實現?？紤]到上位機軟件的通用性及可操作性，上位機軟件采用方便快捷的LabVIEW編寫管理程序。LabVIEW由美國NI公司研制開發，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。在LabVIEW開發環境下，對采集到的數據進行數據顯示等功能，使整個系統的功能更加完善。和其他編程語言一樣，在LabVIEW中也存在子程序的概念，在LabVIEW中的子程序被稱作子VI。將整個程序劃分為若干模塊，每個模塊用一個或者幾個子VI實現，易于程序的編寫和維護;子VI可以代碼復用。管理界面軟件程序框圖如圖7所示，表1給出了本系統用到的幾個通信模塊的基本屬性的描述。

3 系統測試

系統測試時用3塊BLE模塊和一個作為協調器節點組建無線網絡。用串口調試工具查看當前的組網信息。當節點設置好后，開始先查看終端器發出的信息，圖8示出了運行結果，顯示當前溫度、當前濕度與當前電流。測試表明本系統運行良好，無線網絡通信成功。

4 結束語

文中采用射頻芯片CC2540和微處理STC12C25A60S2設計了數據信息采集系統，實現了工作頻率為2.4GHz的適合BLE協議的無線數據傳輸。結合硬件電路的特點和系統的功能要求，編寫了整個系統軟件。本系統操作界面簡便、清晰，具有良好的人機操作界面。但節點非法侵入、信息破壞的安全問題及構成較為復雜的網絡拓撲結構研究仍有很多新的挑戰。